地震荷載作用下新型削弱型梁柱節點力學特性研究

姜　磊

(中鐵十四局集團第一工程發展有限公司，山東日照 276826)

工程建設中鋼材具有延性好、易加工、造型美觀、便于安裝等優點，越來越多的建筑物選用鋼材作為其建筑材料。在鋼結構建設過程中，由于管線穿插，在鋼結構內開孔不可避免，尤其是鋼梁結構，開孔會對梁的力學性能產生影響[1]。在地震荷載作用下，梁柱節點往往難以發揮出耗能優勢，造成脆性破壞[2]。梁柱節點處鋼梁又是開孔頻率較高的區域，對此，研究削弱型梁柱節點在地震荷載作用下的力學響應顯得尤為重要。

目前，針對鋼梁開孔的削弱型梁柱節點力學性能的研究已取得了一定的成果。楊慶山[3]等對有限分析和試驗研究了梁腹板開圓孔的鋼框架梁柱節點的受力性能，得出腹板開孔可以形成“空腹梁”，使得塑性鉸外移，提高抗震性能。李波[4]等對腹板開孔進行了擬動力試驗，得出腹板開孔后結構的整體性能并沒有降低。王秀麗[5]等通過試件破壞試驗來測試試件的力學性能，得出腹板開孔能夠有效的控制節點的塑性鉸的形成的部位，降低結構發生脆性破壞的可能性。

以上研究多針對于腹板削弱時節點的力學性能，而對腹板和翼緣共同削弱情況研究較少。對此，研究首先提出了一種腹板和翼緣共同開孔的新型節點型式，并采用數值模擬的方法，開展了地震作用下新型梁柱節點的力學特性，希望通過研究明確新型削弱型梁柱節點的抗震性能，從而為鋼結構開孔的設計施工提供新思路。

1　新型削弱型節點及計算模型

1.1　新型削弱型節點

在鋼結構建設過程中，由于管線穿插，在鋼結構開孔不可避免。目前，針對梁柱節點開孔的設計主要有兩種型式[6]：一是針對翼緣削弱的節點，另一種是腹板削弱的節點(圖1)。

(a)翼緣削弱型節點

(b)腹板削弱型節點圖1　削弱型節點

腹板和翼緣共同開孔可以提高鋼結構節點的適應性，使管線穿插更加方便。對此，結合兩種開孔型式，提出了翼緣與腹板共同開孔的節點型式。選取梁柱節點形式為栓焊剛性連接，柱截面取為HW350×250×9×14，梁截面選為HW350×175×7×11，鋼材型號為Q345B鋼。為避免應力集中，開孔采用圓孔型式，開孔直徑翼緣為30 mm，腹板為100 mm。翼緣-腹板共同削弱型節點見圖2。

(a)翼緣開孔

(b)腹板開孔圖2　翼緣-腹板共同削弱型節點(單位：mm)

1.2　計算模型的建立

分別建立削弱型節點和未削弱型節點的數值計算模型，通過分析削弱型節點和未削弱型節點的力學特性，得出開孔對節點受力的影響。計算采用ANSYS有限元分析軟件，型鋼采用SOLID45三維實體單元模擬。數值模型梁長1.8 m，柱子高度1.2 m。計算過程中，對柱下端截面施加X、Y、Z方向的線位移約束，上端施加X、Y方向的約束，梁的上、下翼緣外側施加Z方向的約束，計算模型見圖3、圖4。

圖3　未削弱節點計算模型

圖4　削弱節點開孔細部

1.3　鋼材屈服準則

金屬材料其應力-應變關系曲線并非完全線性，可視為彈塑性材料，在受力初期，材料處于彈性范圍內，當應力應變達到一定數值后，金屬材料會進入塑形屈服階段。將鋼材視為理想的彈塑性體，其本構關系為：

式中：fy表示鋼材的屈服強度；εy表示鋼材的屈服拉應變；Es表示鋼材的彈性模量；fsu表示鋼材的極限強度；εsu表示鋼材的極限拉應變。

計算時，可調用ANSYS中雙線性隨動強化模型(BKIN)，材料的彈性模量為2.06×105MPa，屈服應力取為380 MPa。屈服后的切線模量取0.2倍的彈性模量，即4×104MPa。

1.4　地震荷載簡化計算

為了方便計算，結構設計中通過把地震慣性力作為靜力來對待，實現把地震荷載在一定程度上的合理簡化，地震荷載計算公式如下：

F=kβ(T)G

式中：β(T)則是加速度反應譜Sa(T)和地震動最大加速度a之間的比值，表示的是地震的時候結構振動加速度擴大的倍數；k為地震系數，是地震動峰值加速度和重力加速度之間的比值；G是重力荷載的代表值。

研究以一般跨度普通高度結構為主，地震烈度為7度，只考慮水平地震作用。地震系數k為0.08，放大系數β(T)為2.875。柱端受到69.78 kN的重力，因此，計算得出地震荷載為325 kN，計算過程中，將地震荷載直接施加在鋼梁遠離柱的一端。

2　翼緣-腹板削弱型梁柱節點

2.1　鋼梁位移分析

鋼梁結構中翼緣提供梁的抗彎承載力，腹板提供梁的抗剪承載力。梁柱節點在翼緣和腹板同時開孔后，其承載能力會出現一定的降低。荷載作用下，鋼梁的變形可以反映梁柱節點的承載能力。研究通過設置監測點分析了鋼梁的變形特征。鋼梁上部翼緣中心等間距布置了8個監測點，荷載施加后豎向變形結果見圖5。

圖5　鋼梁豎向變形計算結果

由計算結果可以看出，翼緣和腹板同時開孔后，鋼梁的豎向變形出現了少量的增加，鋼梁的承載能力出現了一定的降低。未開孔的鋼梁最大豎向位移為20.4 mm，開孔后鋼梁的最大豎向位移為21.8 mm，豎向位移增加了6.9 %。由此可以看出，開孔后鋼梁的承載能力出現了一定的降低，但降低程度不明顯，合理的開孔并不會明顯的降低鋼梁的承載能力。

2.2　應力分析

為分析地震荷載下開孔后，梁柱節點應力轉移規律，提取了計算結果后的Mises應力，Mises應力可以反映主應力的大小，幫助判斷材料的應力狀態。計算結果見圖6、圖7。

圖6　未削弱節點應力分布

圖7　削弱型節點應力分布

由計算結果可以看出，當梁端施加地震荷載后，兩種梁柱節點均在全焊接部位出現了一定的應力集中，未削弱型節點最大應力為451 MPa。削弱型節點除了在全焊接部位出現應力集中外，翼緣開孔部位也出現了應力集中現象，其中全焊接部位最大應力為433 MPa，開孔部位最大應力為468 MPa，腹板開孔后，腹板提供的抗剪性能降低，引起底部翼緣也出現了一定的應力集中，底部翼緣最大應力為406 MPa。開孔后，鋼梁的應力明顯發生轉移，最大應力由焊縫位置向外側偏移。開孔后的梁柱節點在地震荷載作用下產生的應力略大于未開孔的梁柱節點，但最大應力位置由焊縫處向外側偏移。由于鋼材延性明顯好于焊縫，所以地震荷載作用下，合理的翼緣與腹板開孔可以在一定程度上降低節點脆性破壞的風險。

2.3　塑性區分析

通過分析地震荷載下梁柱節點的塑性區分布可以進一步明確削弱型節點和未削弱型節點的破壞模式，計算結果見圖8、圖9。

圖8　未削弱型節點塑性區分布

圖9　削弱型節點塑性區分布

由梁柱節點塑性區計算結果可以看出，未削弱型節點塑性區主要集中在全焊接部位，與應力分析結果一致，這種受力特點使得梁柱節點易在全焊部位發生脆性破壞。削弱型節點塑性區發生外移，主要集中在鋼梁翼緣開孔處部位，腹板開孔對下翼緣抗彎性能產生影響，使得腹板開孔處下部翼緣產生塑性區。與未削弱型節點對比，削弱型節點在全焊接部位的塑性區域明顯降低，塑性區主要集中在開孔部位，因此削弱型節點在全焊接部位脆性破壞的可能性明顯降低，破壞模式注漿由脆性破壞變為塑性破壞。考慮到鋼材的延性明顯好于焊縫部位，梁柱節點的抗震性能在一定程度上出現了增強。

3　結論

地震荷載作用下，梁柱節點焊縫處易造成脆性破壞。鋼梁開孔易引起梁柱節點應力外移，對結構的力學性能和抗震性能產生影響。本研究提出了一種在翼緣和腹板共同開孔的新型節點型式，并通過數值模擬的方法分析了新型節點的抗震性能，得出了削弱型節點的受力規律，可以為鋼結構節點設計及施工提供指導。通過研究得到了以下幾點結論：

(1)開孔后鋼梁的承載能力出現了一定的降低，但降低程度不明顯，合理的開孔并不會明顯的降低鋼梁的承載能力。

(2)應力分析結果顯示，開孔后的梁柱節點在地震荷載作用下產生的應力略大于未開孔的梁柱節點。未削弱型節點應力最大位置位于全焊縫處。削弱型節點應力最大位置外移，位于翼緣開孔處，全焊縫處應力降低。

(3)與未削弱型節點對比，削弱型節點在全焊接部位的塑性區域明顯降低，塑性區主要集中在開孔部位。

(4)地震荷載作用下，合理的翼緣與腹板開孔可以使應力集中區域及塑性區外移，從而在一定程度上降低節點全焊縫處脆性破壞的風險。